国密消息鉴别码学习笔记 ——含GB/T 15852和HMAC（合）
国密消息鉴别码学习笔记
——含GB/T 15852和HMAC
本文档对我国标准规定的消息鉴别码的生成算法进行了简要介绍，包括算法生成步骤，注意事项等。我国的相关标准包括GB/T 15852.1-2008、GB/T 15852.2-2012、GB/T15852.3（目前为草稿）。
1. 标准概述
国密消息鉴别码标准GB/T15852 《消息鉴别码》由三个部分组成：
l Part1 采用分组密码的机制，同等采用ISO/IEC 9797-1: 1999。
l Part2 采用专用杂凑函数的机制，修改采用ISO/IEC 9797-2: 2002。
l Part3 采用泛杂凑函数的机制（草稿），修改采用ISO/IEC9797-3: 2011。
2. 基于分组密码的MAC
2.1 整体架构
基于分组密码的MAC算法共六种，都按以下几个流程执行（流程图如下）。
图2.1基于分组密码的MAC算法流程
1) 数据填充（三种方案）；
2) 第一个块的处理，也叫初始变换（两种方案）；
3) 中间块的处理（CBC-MAC）；
4) MAC输出，也叫输出变换（三种方案）；
基于分组密码的MAC有六种算法。
l 六种算法的数据填充方式未做硬性规定，可选择三种中的任意一种。
l 算法1—算法4是初始变换与输出变换的组合。
l 算法5（算法6）分别是两个并行的算法1（算法4）的MAC值做异或。当然并行MAC必须用不同的KEY。
l 其中某些算法可能涉及密钥派生，但标准未对密钥派生算法做硬性规定。
l 若需截断，则截获高位数据。
标准描述道：“算法4提供了一种改进的增加密钥长度的方法，强烈建议用户采用这个MAC算法4和填充方式3。”六种算法的详细配置如下表。
表2.1基于分组密码的MAC算法的配置情况
| MAC算法 （六种方案） |
数据填充 （三种方案） |
初始变换 （两种方案） |
中间块处理 （一种方案） |
输出变换 （三种方案） |
| 算法1 |
任选 |
初始1 |
CBC-MAC |
输出1 |
| 算法2 |
任选 |
初始1 |
CBC-MAC |
输出2 |
| 算法3 |
任选 |
初始1 |
CBC-MAC |
输出3 |
| 算法4 |
任选 |
初始2 |
CBC-MAC |
输出2 |
| 算法5 |
任选 |
两个算法1的MAC结果异或 |
||
| 算法6 |
任选 |
两个算法4的MAC结果异或 |
||
2.2 数据填充
以下三种方案都是保证填充后的长度为分组长度n的整数倍。
填充后的数据按分组长度分割为多个块。
2.2.1 数据填充方案1
l 消息右侧填充比特零（可以不添加）。
l 空串需添加n个0。
l 对简单伪造攻击不安全。
填充数据：padding=0...00
填充后的消息：MSG|| 0...00
2.2.2 数据填充方案2
l 消息右侧先填充一个比特1，再填充比特0（可以不添加比特0）。
填充数据：padding=10...00
填充后的消息：MSG|| 10...00
2.2.3 数据填充方案3
l 先在消息右侧填充比特0（可以不添加比特0），保证填0后的长度为分组长度n的整数倍，
l 再在消息左侧添加消息长度MSG_LEN（n比特，大端表示）。
填充数据：左侧为MSG_LEN，右侧为0...00
填充后的消息：MSG_LEN|| MSG || 10...00
注：如果在计算MAC前不能知道完整消息的长度，则填充方案3不可用。
2.3 初始变换
初始变化对分割得到的第一个块进行处理，其结果类似后续CBC_MAC的IV。如果没后续块，则不做CBC_MAC。
2.3.1 初始变换方案1
输入：D1（第一个块）、K（密钥）
输出：H1= ENCK(D1)
2.3.2 初始变换方案2
输入：D1（第一个块）、K（密钥）、K**（另一个密钥）
输出：H1= ENCK**( ENCK(D1) )
【注：需要两个密钥】
2.4 输出变换
2.4.1 输出变换方案1
输入：Hq（最后一个块的MAC）
输出：H= Hq（恒等变换）
【注：无需密钥】
2.4.2 输出变换方案2
输入：Hq（最后一个块的MAC）、K*（密钥）
输出：H1= ENCK*(Hq)
【注：密钥是K*】
2.4.3 输出变换方案3
输入：Hq（最后一个块的MAC）、K（密钥）、K*（另一个密钥）
输出：H1= ENCK (DECK*(Hq) )
【注：先用K*解密，然后用K加密】
2.5 六种算法
标准描述道：“算法4提供了一种改进的增加密钥长度的方法，强烈建议用户采用这个MAC算法4和填充方式3。”
六种算法的详细配置表如下。
表2.2基于分组密码的MAC算法的配置情况
| MAC算法 （六种方案） |
数据填充 （三种方案） |
初始变换 （两种方案） |
中间块处理 （一种方案） |
输出变换 （三种方案） |
| 算法1 |
任选 |
初始1 |
CBC-MAC |
输出1 |
| 算法2 |
任选 |
初始1 |
CBC-MAC |
输出2 |
| 算法3 |
任选 |
初始1 |
CBC-MAC |
输出3 |
| 算法4 |
任选 |
初始2 |
CBC-MAC |
输出2 |
| 算法5 |
任选 |
两个算法1的MAC结果异或 |
||
| 算法6 |
任选 |
两个算法4的MAC结果异或 |
||
2.5.1 算法1
输入密钥：K。
诱导密钥：无。
执行步骤：
CBC-MAC，IV为全零。
2.5.2 算法2
输入密钥：K。
诱导密钥：K**，一种生成方式K** = SKDF(K)（见2.5.7 一种密钥衍生算法）
执行步骤：
先对所有块做CBC-MAC（密钥K），
然后再对结果加密（密钥K**）。
注意事项：K≠K**，否则存在异或伪造攻击。
2.5.3 算法3
输入密钥：K和K*（K≠K*）。
诱导密钥：无。
执行步骤：
1. 先对所有块做CBC-MAC（密钥K），
2. 然后再对结果解密（密钥K*）后加密（密钥K）。
注意事项：K≠K*，否则算法3退化成算法1。
2.5.4 算法4
输入密钥：K和K*。
诱导密钥：K**，一种生成方式为K**=SKDF(K*)（见章节2.5.7）。
执行步骤：
1. 先对第一个块做两次加密（先K后K**），
2. 其结果作为IV和后续块（第二个块开始）做CBC-MAC（密钥K），
3. 然后再对结果加密（密钥K*）。
注意事项：填充后的消息至少是两个块才可用。
2.5.5 算法5
输入密钥：K。
诱导密钥：K1和K2，由K生成。
生成方式可以是K1=K，K2=SKDF(K)（见章节2.5.7）。
执行步骤： 1. 用密钥K1和K2分别对数据各做一次CBC-MAC（即算法1）；
2. 然后将MAC值异或。
注意事项：保证K1≠K2。
2.5.6 算法6
输入密钥：K和K*。
诱导密钥：(K1, K1*)和(K2, K2*)，由K和K*生成。
生成方式可为(K1,K1*)=(K,K*)，(K2,K2*)≠(SKDF(K), SKDF(K*))。
执行步骤： 1.用密钥(K1, K1*)和(K2, K2*)分别对数据各做一次算法4，
2. 然后将MAC值异或。
注意事项： 1. 保证K1≠K1*、K2≠K2*、(K1, K1*)≠(K2, K2*)；
2. 建议算法6的6个密钥各不相同（算法4实际使用3个密钥）。
2.5.7 一种密钥衍生算法
算法：简单密钥衍生算法SKDF(K)
输入：一个密钥K
输出：衍生的另一个密钥K*
步骤：从K的第一个4比特组开始，每隔4比特交替取补和不变生成K*。
2.6 测试向量
参见GB/T15852.1-2008的附录A。
3. 基于专用杂凑函数的MAC
3.1 三种算法基本情况介绍
标准规定了三种MAC算法：
l 算法1和算法3要求修改底层的HASH算法（如修改HASH算法的轮常数等），这在很有应用中无法实现，因此强烈建议舍弃这两者算法。
l 算法2为HMAC算法的微调版。可以使用。
3.2 算法2和HMAC区别
仅存在密钥长度的限制
l HMAC：未限制密钥长度。
l 算法2：严格限制密钥长度为 L<= Len(K)<= B。
这里B是HASH函数的分组大小，L是HASH函数的输出杂凑值长度。
以SM3为例，算法2要求密钥长度为256~512比特，而HMAC无此要求。
3.3 HMAC (FIPS PUB 198-1)
参见FIPS PUB 198-1, The Keyed-Hash MessageAuthentication Code (HMAC). 2008-07.
3.3.1 记号
l B：HASH函数的分组大小，单位字节。
l L：HASH函数的输出杂凑值长度，单位字节。
l ipad：每个字节都为0x36的数据串，B字节长。
l opad：每个字节都为0x5c的数据串，B字节长。
算法表达式
HMAC(K, text) = H((K0⊕opad )|| H((K0 ⊕ipad) || text))
3.3.2 HMAC算法流程
算法：HMAC(K, text)
输入：密钥K和消息text
输出：MAC值
步骤：
步骤 1. 生成K0，长度为B。
n 若Len(K)=B，K0 = K。
n 若Len(K)>B，K0 = HASH(K)|| 00...0。
n 若Len(K) 步骤 2. H* = HASH( ( K0 ⊕ ipad) || text ) 。 步骤 3. H = HASH(( K0 ⊕ opad) || H* ) 。 步骤4. 返回H。 图3.1 HMAC算法流程图 标准文档尚在设计中。略。 
4. 基于泛杂凑函数的MAC